Nadstopy niklu stosowane są jako materiały na łopatki turbin silników odrzutowych i stacjonarnych turbin gazowych w przemyśle energetycznym. W pracy przedstawiono wnikliwą analizę stabilności mikrostruktury monokrystalicznych nadstopów niklu II generacji (PWA 1484) i IV generacji (PWA 1497) podczas procesu wysokotemperaturowego pełzania oraz starzenia, ze szczególnym uwzględnieniem geometrycznego opisu ewolucji mikrostruktury w obu nadstopach.
Metodami skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) oraz skaningowo-transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM) przeprowadzono ilościową i jakościową analizę mikrostruktury nadstopów oraz wyznaczono parametry stereologiczne faz γ i γ'. Wykonano również badania
rentgenowskie, wyznaczając dla obu nadstopów w stanie dostawy współczynnik niedopasowania sieci (δ) w temperaturze pokojowej. Przeprowadzono badania nano-
twardości faz γ i γ' w obu nadstopach (NI-AFM) za pomocą mikroskopii sił
atomowych. Ponadto dla nadstopu IV generacji PWA 1497 przeprowadzono trójwymiarową wizualizację mikrostruktury za pomocą tomografii elektronowej z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego z działem jonowym. Wykonane badania pozwoliły na porównanie stabilności mikrostruktury obu nadstopów odkształconych przez pełzanie w wysokiej temperaturze. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono większą stabilność mikrostruktury nadstopu IV generacji, PWA 1497 podczas pełzania w wysokiej temperaturze w porównaniu z mikrostrukturą nadstopu II generacji PWA 1484.
Microstructure stability of second and fourth generation single crystal nickel-base superalloys during high temperature creep deformation
Single crystal (SC) nickel-base superalloys have been developed over the past 40 years especially for modern gas turbine applications. Their introduction into commercial use as turbine blades in aero-engines is regarded as one of the most significant technological achievements of the past two decades [1], This group of alloys have superior mechanical properties such as creep resistance and high temperature strength. They are hardened by a high volume fraction of the ordered γ'
phase, which is coherently precipitated in the γ matrix. These materials are mainly
applied as turbine blades and vanes in aero-engines and industrial gas turbines. Turbine blades operate at high temperature under a centrifugal force causing creep deformation of the material, which leads to so-called rafting (i.e. directional coarsening). A characteristic microstructural property of SC superalloys is the ability of cubic γ' phase
particles to transform under the influence of stress and temperature into the plates (rafts). The rafts develop in the early stages of creep at high temperature (about 1000°C) and low stress (about 100 MPa). Rafting appears to be an essential factor determining creep strength of nickel-base single crystal superalloys at high temperature and influencing their applications [2].
A new, 4th generation single crystal superalloy has been jointly developed by GE Aircraft Engines (GEAE), Pratt & Whitney (P&W) and NASA. The focus of the effort was to develop a turbine airfoil alloy with long- term durability for use in the High Speed Civil Transport. In order to achieve adequate long time strength improvements at moderate temperature and to retain good microstructure stability, it was necessary to make significant composition changes from 2nd and 3rd generation single crystal superalloys. These include lower chromium levels, higher cobalt and rhenium levels and the addition of a new alloying element, ruthenium. The new superalloy is known as MX4 at GEAE and PWA 1497 at P&W [3].
In the present study, a detailed investigation of two nickel-base single crystal superalloys, 2nd generation PWA 1484 and 4th generation PWA 1497, was performed in order to estimate stereologically their microstructure evolution and stability during ageing and creep deformation at high temperature.
